3D贯穿大孔尖晶石/TiO2复合材料的合成及处理有机染料废水性质的研究

The objective of this project is to design and synthesize a multifunctional material for organic dyes wastewater treatment. We propose to synthesize spinel/TiO2 composite materials, which have three-dimension (3D) interconnected macroporous spinel ferrite MFe2O4(M=Ni, Mn, Zn) and photocatalyst TiO2 nanoparticles filling into the macropores. The obtained MFe2O4/TiO2 show multi-properties of adsorption, photocatalysis and magnetic recovery. The design on structure and component make full use of the micro-morphology and take both advantages of spinel and TiO2:Spinel ferrite can perform magnetic recovery；3D interconnected macroporous structure of MFe2O4/TiO2 can provide suitable flow channel for large molecular dyes, which is favor for faster adsorption; TiO2 nanoparticles filling in macropores can be dispersed effectively to ensure the photocatalytic property. MFe2O4/TiO2 can be prepared by the following method: 3D ordered macroporous MFe2O4 can be prepared by colloidal crystal template method, 3D disordered macroporous MFe2O4 can be synthesized by sol-gel method using biological as template; loading TiO2 nanoparticles into macropores utilizing hydrothermal or impregnation methods. The main research content of this project is to study the effect of synthesis conditions, pore size, ratio of MFe2O4 and TiO2, combination form on the structure and properties of adsorption and photocatalytic. The aim is to illuminate the mechanism of synergistic effect between adsorption and photocatalytic properties of 3D interconnected macroporous MFe2O4/TiO2. The research results of this project can provide theory and data base for the application of 3D macroporous spinel/TiO2 composite materials.

本项目针对有机染料废水处理材料多功能化要求，提出合成三维（3D）有序/无序贯穿大孔尖晶石MFe2O4（M=Ni，Mn，Zn等）并将光催化剂TiO2填充到大孔中，得到具有吸附、光催化和磁回收三种功能的尖晶石/TiO2复合材料的研究思路。这种结构和组成充分利用了微观结构特点，并发挥了尖晶石与TiO2各自优点:尖晶石具有磁回收功能；3D大孔结构为大分子染料提供流动通道提高了吸附效率;TiO2有效分散在大孔中保证光催化功能。提出通过胶体晶体模板法和生物模板法分别合成3D有序和无序大孔尖晶石；然后利用水热或浸渍法在将TiO2填充到大孔中制备尖晶石/TiO2的方法。本项目通过研究3D贯穿大孔尖晶石/TiO2的合成条件、孔径、组成比例、复合形式等因素对结构、吸附和催化性质的影响规律，揭示复合材料中吸附和光催化之间协同作用的本质。课题的研究能为尖晶石/TiO2复合材料在水处理方面的应用提供理论和数据基础。

本项目通过构建三维大孔结构尖晶石，并将氧化物（ZnO，NiO，TiO2，MgO）与尖晶石复合，制备了可磁回收的、吸附/光催化性质优良的尖晶石及其复合磁性水处理材料。充分利用了尖晶石的磁回收性质、光催化性质和大孔的吸附性能，将多种功能集成在一种材料中。..通过胶晶模板法制备了大孔ZnFe2O4，发现所制备的大孔尖晶石有序度不高，光催化性质与三维无序大孔尖晶石质接近。采用微波法、水热法制备的孔结构ZnFe2O4，结果表明，磁性ZnFe2O4显示出优秀的可将光光催化性质和吸附性质，对亚甲基蓝的吸附容量达到490.19 mg/g。其光催化性质与其微观形貌(孔径，颗粒尺寸)联系密切，颗粒越小光催化性能越高。研究了A位离子比例和性质对结构和光催化性质的影响。制备了A位非计量比以及Ni离子掺杂Zn离子的ZnFe2O4，发现A位离子的浓度和性质对光催化性质影响不大，说明光催化性质与晶格性质关系不显著，而表面性质对光催化性质影响更明显。..采用溶胶-凝胶法以介孔氧化物为模板制备了大孔尖晶石和氧化物/尖晶石复合材料。发现由于相互的能带耦合导致复合后的ZnO/ ZnFe2O4, TiO2/ ZnFe2O4的光催化性能降低。但是所制备ZnO/ ZnFe2O4由于具有高的比表面积和磁回收性质是一种优秀的磁性吸附剂，能有效吸附有机染料和重金属离子，ZnO/ ZnFe2O4在pH=7-11能快速吸附亚甲基蓝在0.5 min的去除率就达到99%。发现在配比时煅烧制得的MgO/MgFe2O4（4:1）吸附Ni(II)，5min去除率达到99%，吸附容量为88.80mg/g。..采用二次水热法以炭微球为模板制备了炭微球/尖晶石复合材料，并讨论复合材料的比例、合成条件等对光催化性质和吸附性质的影响。发现尖晶石能够通过水热法在碳微球表面生长，烧结去除碳微球后会形成尖晶石空心球结构。当碳微球与NiFe2O4的比例对吸附性质影响最为显著，比例为20:2对亚甲基蓝吸附去除率达到96.9%，能够在磁场作用下快速回收。